摘要

南極沿海地區的初級生產力來自海冰藻類、浮游植物和底棲藻類。氧微電極被用來估計南極東部沿海地區凱西附近幾個地點的海冰和底棲初級生產力。海冰的最大氧氣輸出量為0.95 mmol O2 m-2 h-1（*11.7 mg C m-2 h-1），而沉積物的最大氧氣輸出量為6.08 mmol O2 m-2 h-1（*70.8 mg C m-2 h-1）。當冰存在時，底棲生物的氧氣輸出要么很低，要么為負值。海冰藻類同化率高達3.77 mg C（mg Chl-a）-1h-1，而底棲生物的同化率高達1.53 mg C（mg Chl-a）-1h-1。利用熒光測量技術評估初級生產力主要組成部分的貢獻。當冰存在時，約55–65%的每日初級生產力發生在海冰中，剩余部分在沉積物和水柱之間不均勻分配。當沒有冰時，底棲生物貢獻了將近90%的初級生產力。

介紹

南極海洋沿岸初級生產力由三個主要組成部分貢獻：海冰藻類、浮游植物、微藻和大型底棲藻類群落。海冰主導并構成了大多數南極海洋生態系統（Eicken et al.1991），嚴重限制了到達光合作用群落的光量（Palmisano et al.1985；Smith et al.1988；Cota and Smith 1991）。海冰微生物群落是光合作用生物量的一個重要組成部分，在多年生冰覆蓋地區的年初級生產力中約占25-30%（Legendre等人1992年；Lizotte 2001年；Grose和McMinn 2003年）。在沿海地區，快速冰（即附著在海岸上的年冰）的平均生物量為150 mg chl-a m-2，主要位于底部20 cm處（Knox 2006），該群落的產量在0.053和1.474 mg C m-2 h-1之間變化（Trenerry et al.2002）。在海冰下面，浮游植物的生物量仍然很低（.2 lg chl-a L-1）。對南極底棲微藻生物量的測量很少，但Dayton等人（1986年）在McMurdo Sound報告了95至960 mg chla m-2之間的值，McMinn等人（2004年）在Casey站報告了159.1至236.5 mg chl-a m-2之間的值。唯一公布的南極底棲生物初級生產數據來自南極半島，吉爾伯特（1991）報告了該半島313.4至700.9 mg C m-2 d-1的數值。之前在南極洲還沒有對這三種主要成分的光合和初級生產數據進行過比較，不過在波弗特海進行了一項比較研究（Horner和Schrader，1982年）。由于不同棲息地使用的方法和單位存在必要的差異，以及現場輻照度和合成生物量的高度可變性，直接比較總是很困難，而且容易出現不一致。

微傳感器技術應用于微生物墊的進展提供了新的見解和比以前更準確的信息。過去25年中，已記錄了氧微電極在沉積物、底棲藻類群落中測定氧氣生成的應用（Jorgensen等人1983年；Revesbech and Ward 1983年；Lorenzen等人1995年；Klimant等人1997年）。還探索了類似的技術來確定海冰藻類群落的生產力（McMinn et al.2000a；Kuhl et al.2001；Trenerry et al.2002；McMinn et al.2007）。該方法基于測量通過擴散邊界層（DBL）的氧通量（Jorgensen and Revsbech 1985；Roberts and McMinn 2004），因此可以計算整個墊的凈產量（McMinn and Ashworth 1998；McMinn et al.2000a；Trenerry et al.2002）。微電極的尖端直徑很小（40 lm），對氧張力變化的響應時間很快（90%的響應時間<1 s），攪拌靈敏度低（<1%），長期穩定性相對較好。因此，它們是研究海冰和底棲生物群落中O2產生和消耗的空間和時間變異性的良好工具。

20世紀90年代中期，水生系統熒光測量方法的發展也使人們能夠測量海洋微藻光合作用，從而估計微藻群在水生生態系統中的相對貢獻。McMinn等人（2005年）不僅記錄了日本北海道北部海冰藻類、浮游植物和底棲藻類群的光生理特征，還記錄了它們對沿海生產的估計相對貢獻。該方法包括測量最大相對光合電子傳輸速率（rETRmax）、環境輻照度和生物量（葉綠素a濃度）。

本研究的目的是利用氧微電極研究Casey站附近三個地點海冰和底棲藻類群落的日初級生產力。我們還利用熒光測定法探討了微藻群在南極海洋生態系統三個組成部分中的相對貢獻。

材料和方法

研究地點

2004年12月2日至12月30日，在凱西站周圍的三個地點進行了實地研究：南極洲的布朗灣（BB）、奧布萊恩灣（OBB）和凱西碼頭（CW）（66280 S，110520 E）（圖1）。一天中的時間以當地時間（GMT？5 h）表示。對初級生產力的測量發生在12月3日至16日之間。之所以選擇這些地點，是因為在每年的冰爆發前后，它們提供了處理海冰（冰下）、浮游植物（水柱中）和底棲微藻（沉積物中）的機會。這些地區的積雪覆蓋范圍是可變的，但研究地點的冰厚（如有）約為1.4m（表1）。使用生物圈（美國圣地亞哥）QSP 200輻射計和2p和4p傳感器測量表面和地下輻照度。另外，還使用光纖光傳感器（Kuhl等人1994年之后）和氧氣微傳感器進行了輻照度測量。研究期間的天氣通常多云，但也在不太頻繁的無云日進行了測量。在布朗灣和奧布萊恩灣，對海冰藻類、浮游植物和底棲藻類進行了測量和收集。在凱西碼頭，由于沒有冰殘留，只對浮游植物和底棲藻類進行了研究。使用WTW（德國韋勒姆）電導率儀測量每個地點的溫度和鹽度。

圖1南極洲凱西站凱西碼頭、布朗灣和奧布萊恩灣三個現場的位置

葉綠素a分析

海冰的葉綠素a（chl-a）測量是從半徑為5m的4-5個重復冰芯中進行的。通過鉆孔至1.2 m（美國杰菲）獲得冰芯，然后使用冰芯取芯鉆機（美國科瓦克斯）手動取芯至底部，提取底部20–30 cm的冰芯。取下巖芯樣品底部10 cm，并將其修整成小塊，然后將其融化成等量的過濾海水（0.22 lm過濾器）。將100 ml熔融樣品過濾到Whatman GF/F 47 mm直徑的過濾器上，并在10 ml甲醇中提取色素過夜。按照Strickland和Parsons（1972）的酸化方法，使用Turner 10 AU熒光計測量葉綠素-A生物量。熒光計根據葉綠素a標準（圣路易斯西格瑪化學公司）進行校準。當氧氣流量測量以毫米為單位時，底部10厘米處的chl-a生物量被檢查。超過95%的chl-a生物量通常位于海冰底部幾厘米處（McMinn等人，1999年，2000年a），因此僅對這部分冰芯進行了生物量取樣。由于冰本身在冰水界面的一層薄薄的骨架層之上，形成了垂直氧氣擴散的有效帽，因此假設光合作用產生的所有氧氣向下擴散到擴散邊界層（DBL）。因此，需要底部幾厘米的總生物量來估算同化數。水柱chl-a分析基于使用2L水采樣器（美國尼斯金）從5m（凱西碼頭4m）深度采集1L水樣。隨后將水過濾到Whatman GF/F 47 mm直徑的過濾器上，并以與冰芯相同的方式提取和分析。使用特制的直徑為15 mm的重力取樣器收集葉綠素a分析用沉積物樣品。去除頂部1厘米的沉積物芯，并在20毫升甲醇中提取色素過夜。以與水和冰樣品相同的方式傾析和測量所得葉綠素提取物。

原地凈初級生產力

海冰和底棲藻類凈初級生產力是使用DBL法現場氧通量測量的（Jorgensen和Revsbech 1985；McMinn等人，2000a）。用于對海冰和底棲藻類進行原位測量的設備和氧微電極（UniSense，Aahus）是McMinn等人（2000a）和Trenerry等人（2002）使用的設備的改進版（圖2）。海冰藻墊下方或沉積物藻層上方的氧氣通量和DBL的厚度都是確定凈初級生產力所必需的。用氧微電極測量氧濃度，其尖端直徑約為40 lm，90%的響應時間約為1s，攪拌靈敏度為1–2%。在測量之前，使用空氣飽和海水（在-1.8C下用標準水族館泵鼓泡20分鐘使其飽和）和脫氧海水（在-1.8C下使用亞硫酸鈉）的值對其進行現場校準。空氣飽和海水在-1.8℃時的氧濃度值，單位為lmol O2 L-1，由Weiss（1970）獲得。DBL厚度和氧通量的測量是通過在冰下或沉積物上方的前幾毫米水中以10 lm的間隔步進氧微電極來進行的。對于海冰測量，設備被部署在可伸縮臂上的海冰下方（McMinn et al.2000a），對于海底測量，設備被用電纜降到靜止位置，隨后與地面的計算機保持通信（圖2）。

圖2氧氣微電極部署設備。相同的液壓微電極定位系統用于底棲（a）和冰下（b）部署。在冰下部署模式下，光、氧溫度和鹽度傳感器位于一起。在底棲部署期間，光傳感器保持在沉積物表面上方。視頻設備位于水工建筑物內

在KuHL等人（1994）之后構建的光纖光傳感器與生物圈QSP 200 4P PAR傳感器進行比較，并且獲得了在一個范圍內的地下輻射的線性關系。光測量分別在海冰下方和沉積物藻墊上方進行，用于海冰和底棲生物測量。光傳感器的最大可檢測光強度約為71 lmol光子m-2 s-1，導致凱西碼頭和奧布萊恩灣的一些讀數超過最大值。對于這些測量，環境水下輻照度是根據表面光照水平和消光系數計算的，消光系數是根據輻照度水平小于71 lmol光子m-2 s-1的水柱部分確定的。光、氧和位置數據大約每秒記錄在表面的PC上。通過重復的O2值或與接觸冰相關的O2濃度的快速下降來識別海冰底部DBL。當微電極進入沉積物時，與擴散速率變化相關的氧通量斜率的顯著變化可識別沉積物中DBL的底部（圖3）。每個DBL的頂部通過確定氧氣濃度總變化10%的增加深度來計算（即，氧氣出口相當于Jorgensen和Marais 1990年自由流動濃度的90%；Trenerry等人，2002年）。水下攝像機的位置距離測量設備5米，距離電極尖端10厘米，以確保設備的正確部署。海冰和沉積物的完整DBL剖面每15分鐘獲得一次，在海冰中持續24小時，在沉積物中持續12小時。在顯著的冰融化之前進行了海冰生產力測量，以確保氧氣轉移的主要模式是通過擴散而非平流過程。當海冰融化時，冰下通常會形成一層更新鮮的水（Cota and Horne 1989；Kuhl et al.2001），同樣，當冰形成時，鹽水被排除在冰之外，從而產生高鹽度的水通量。這些梯度的發展有可能顯著影響溶質在冰水界面上的遷移（Glud等人，2002a，b）。然而，在凱西，在這段時間里，在實驗期間，冰的厚度沒有明顯變化，溫度保持在-1.7到-1.8℃之間，鹽度沒有變化。這表明，擴散而非對流分子輸運是測量的大部分氧通量的原因，并驗證了我們的方法。然而，如果冰正在快速增長或融化，這種方法就不合適了。

圖3從海冰（2004年12月2日下午2:44棕色海灣）和b底棲藻類群落（2004年12月1日下午2:14凱西碼頭）的氧微電極測量中獲得的擴散邊界層（DBL）的氧剖面示例。垂直刻度表示擴散氧通量，水平刻度表示距離輪廓起點的微米距離。擴散邊界層用虛線標出

通過DBL的氧氣擴散通量（J）相當于冰下或沉積物上方藻墊的凈初級生產力。使用Fick第一擴散定律的一維版本（Revsbech和Jorgensen 1986）進行計算：

式中Do=分子擴散系數（在-1.9℃時=1.11 9 10-5 cm-2 s-1）；Broecker和Peng 1974），dx=DBL厚度，d[O2]=整個DBL的氧濃度變化。為了將氧通量轉換為等效的凈生產力值，氧通量（mmol O2 m-2 h-1）除以南極快冰的光合系數1.03（Satoh和Watanabe 1988），然后乘以碳的原子量（12.01）。該值相當于以mg C m-2 h-1為單位的產量。同化數是通過將“碳當量”生產力值除以葉綠素值得到的，得到單位為mg C（mg chl-a）-1 h-1。碳當量同化數的改變是為了能夠與使用更熟悉的14C方法進行的生產率估算進行比較。

葉綠素熒光測量

使用脈沖振幅調制熒光計（德國埃芬堡Waltz Water PAM）測量了海冰藻類、浮游植物和底棲藻類的葉綠素熒光。通過施加弱測量光（1 lmol光子m-2 s-1）和飽和脈沖（[3000 lmol光子m-2 s-1持續0.8秒）來測量初始熒光（F），以確定最大熒光（Fm0）。熒光變化的比率（DF=Fm0-F）而最大熒光DF/Fm0是光照樣品中PSII有效量子產率的量度。相對光合電子傳遞率（rETR）計算為有效量子產率和光合有效輻射（PAR）量子通量密度的乘積（Genty et al.1989）。

所有樣本都盡可能接近正午。注意確保樣品不暴露在陽光直射下。從冰芯底部刮去海冰藻類，并將其放入裝有1-2毫升-1.8℃過濾海水的水PAM測量杯中（McMinn等人，2005年）。冰沒有融化。這種測量方法的優點是不會融化冰，不會使細胞暴露在滲透和溫度沖擊下，同時與隨后的量子產率測量沒有顯著差異。沉積物樣品（每個沉積物芯的頂部5 mm）用一個直徑為15 mm的小型重力沉積物取樣器收集，然后再次用黑色塑料帶到帳篷中，并放入測量杯中。海水從冰下5米處收集。為了獲得快速光曲線（RLC），使用PAM熒光計的內部光化光源對測量反應杯中的樣品進行光適應（使其輻照度盡可能接近環境，即約10–20 lmol光子m-2 s-1）5分鐘。在30 s黑暗后，在每次DF/Fm0測量之前，在一系列八個輻照度中的每一個下照射樣品10 s，獲得快速光照曲線，這些輻照度從0增加到577 lmol光子m-2 s-1（White and Critchley 1999；Ralph and Gademann 2005）。光由內部光化光源提供，該光源在WaterPAM中的中心波長為660 nm。

快速光照曲線產生的rETR數據通過多元非線性回歸擬合到以下方程（Platt等人，1980）：

rETRmax表示無光抑制時的最大潛在rETR。a是飽和開始前光照曲線的初始斜率，表示光照利用效率。Ed是輻照度（通式為400–700 nm）。b是表征光抑制的參數。在光線曲線中沒有光抑制的情況下，b=0，函數變為：

其中rETRmax是光飽和時的最大rETR，因此代表光合能力。標準RLC在其P vs.E函數中僅生成9個點，這與傳統的基于14C的P vs.E函數不同，后者通常具有20個或更多數據點（Lewis和Smith 1983）。數據點的數量如此之少，使得正確估計α和β都不可靠。因此，由于本研究中的所有群落在其最大環境輻照度下均未受到抑制，我們從多元非線性回歸中刪除了任何“抑制”數據點（每個RLC很少超過一個）。通過這種方式，我們對rETRmax和a進行了更穩健的估計。

浮游植物、海冰藻類和底棲藻類的貢獻

浮游植物、海冰藻類和底棲藻類的相對貢獻如McMinn等人（2005）所述，即通過將各成分的面積（m-2）chl-a濃度乘以其在最大環境輻照度下的各自rETR來計算。

海冰藻類的相對產量

其中phyt=浮游植物，sia=海冰藻類，ba=底棲藻類。

這種方法不考慮每個微環境內的光梯度或硅藻的日間遷移模式。相反，它使用RLCs和spot測量的平均光合響應來計算生物量。然而，由于每個群落在很大程度上都由相同的硅藻物種控制，因此它仍然對每個群落的相對貢獻有一個一級印象。